VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV STROJÍRENSKÉ TECNOLOGIE FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MANUFACTURING TECHNOLOGY NOVÉ ASPEKTY SVAŘOVÁNÍ METODOU MIG/MAG NEW ASPECTS OF MIG/MAG WELDING BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR RADEK HABROVEC ING. PETR KOVÁŘ BRNO 2010
ANOTACE HABROVEC Radek: Nové aspekty svařování metodou MIG/MAG. Závěrečná práce bakalářského studia, 3. roč. šk. r. 2009/2010, studijní obor B2381-00 strojírenství, studijní program B2341-3 strojírenství. FSI VUT v Brně, Ústav strojírenské technologie, odbor technologie svařování a povrchových úprav, květen 2010. Projekt vypracovaný v rámci tříletého bakalářského studia, se zabývá novými aspekty svařování metodou MIG a MAG. V rámci literární rešerše je popsána svařovací metoda MIG/MAG. Projekt se zabývá, kam až se tato svařovací metoda dostala od jejího vzniku, co se týče přídavných materiálů, ochranných plynů, tloušťky materiálu a hlavně přenosu kovu v oblouku. KLÍČOVÁ SLOVA MIG/MAG, přídavný materiál, plyn, tloušťka materiálu, přenos kovu v obloku ANNOTATION HABROVEC Radek: New aspects of MIG/MAG welding. The thesis of a bachelor's study, 3 rd year of the school year 2009/2010, branch of study B2381-00 engineering, program of study B2341-3 engineering. FSI VUT in Brno, Institute of Manufacturing Technology, Department of Welding Technology and Surface Treatment, May 2010. The project developed within the three-year bachelor's study deals with new aspects of welding method MIG and MAG. In the literature search section is described a welding method MIG/MAG. The project describes development of welding method from ist discovery to the present especially regarding additional materials, shielding gasses, material thickness and other different aspects. KEY WORDS MIG/MAG, additional material, gas, material thickness, metal transfer in arc
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE HABROVEC Radek: Nové aspekty svařování metodou MIG/MAG. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýratví, 2010, 32 stran, Ing. Petr Kovář.
ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Tímto prohlašuji, že předpokládanou bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně, s využitím uvedené literatury a podkladů, na základě konzultací a pod vedením vedoucího bakalářské práce. V Brně dne 27.5.2010
PODĚKOVÁNÍ Tímto děkuji panu Ing. Petru Kovářovi za cenné připomínky a rady při vypracování bakalářské práce.
OBSAH Strana Titulní list Zadání Anotace Bibliografická citace Čestné prohlášení Poděkování Obsah 1. Úvod.10 1.1. Počátky svařování kovů v ochranné atmosféře 10 2. Svařování MIG/MAG..11 2.1. Historie svařování metodou MIG/MAG..11 2.2. Přídavné materiály... 12 2.2.1. Ochranné plyny 12 2.2.2. Elektrody..14 2.3. Zařízení pro svařování MIG/MAG.16 2.3.1. Zdroj proudu 16 2.3.2. Podávací zařízení pro elektrody...17 2.3.3. Hořáky..18 2.4. Parametry pro svařování MIG/MAG...18 2.4.1. Svařovací proud...18 2.4.2. Svařovací napětí...19 3. Nové aspekty přenosu kovu v oblouku 20 3.1. Krátký oblouk se zkratovým přenosem kovu.. 20 3.2. Krátký oblouk se zrychleným zkratovým přenosem kovu...21 3.3. Přechodový dlouhý oblouk s nepravidelnými zkraty..22 3.4. Dlouhý oblouk se sprchovým bezzkratovým přenosem kovu.....22 3.5. Impulsní bezzkratový oblouk... 23 3.6. Moderovaný bezzkratový přenos kovu....24
3.7. Dlouhý oblouk s rotujícím přenosem kovu.. 25 4. Ekonomické hledisko...26 5. Závěr 27 Seznam použitých zdrojů Seznam použitých symbolů a zkratek
1. Úvod 1.1. Počátky svařování kovů v ochranné atmosféře [8] Svařování v ochranné atmosféře bylo objeveno ve dvacátých letech minulého století. Tato metoda byla nazývána atomickým svařováním, největší zásluhu na tom měl Irving Langmuir ve Spojených státech amerických. Svařování v ochranné atmosféře nebylo v této době využíváno v takovém rozsahu, jako je tomu nyní a to zejména kvůli nedostatečnému technickému vybavení. Za 2. světové války se tato metoda dočkala velkého rozmachu. Válečný průmysl začal tuto metodu využívat skoro ve všech odvětví. Při stavbě lodí Liberty, tato metoda zaznamenala své první úspěchy i neúspěchy. Úspěch spočíval v tom, že místo doposud tradičního nýtování lodních plášťů se začaly pláště svařovat, to zkrátilo dobu stavby lodě až o 30%. Negativní stránkou této metody ve své době bylo, že se nikdo nezabýval tepelně ovlivněnou oblastí, tranzitní teplotou materiálu a další důležité faktory byly opomíjeny. To vše mělo ve zkratce za následek, že první takto vyrobené lodě měly vážné závady, některé tyto závady měly za následek rozlomení několika lodí. Díky novým materiálům, které se začaly vyvíjet (vysokolegované oceli, atd.) se začala řešit otázka jejich svařitelnosti a zároveň technika svařování. Svařováním v ochranné atmosféře se snižuje riziko vzniku vad ve svaru, které vznikají při tuhnutí svaru. Tento způsob svařování s sebou přináší nové požadavky na správný výběr přídavného materiálu (chemické složení), dokonalá čistota svarových ploch, kvalifikovaná pracovní síla, bezpečnost práce. Při svařování v ochranné atmosféře nám vznikají zdraví škodlivé plyny, jako jsou páry oxidu dusíku, ozón a jiné. K dalším výhodám tohoto svařování patří, že umožňuje vytvářet všechny typy svarového spoje ve všech polohách, pouze impulsní svařování nám nedovoluje svářet ve všech polohách. Mezi první metody, které se řadí do skupiny svařování v ochranné atmosféře, patří heliarc, argonarc, inertarc. Tyto názvy vznikly podle výrobců zařízení pro svařování. U těchto metod oblouk hořel mezi dvěma wolframovými elektrodami, mezi které se vkládal přídavný materiál, ochranná atmosféra byla tvořena plyny, jako je helium, argon, vodík, dusík. Těmito způsoby se daly svařovat slitiny hliníku a hořčíku. Ke svařování se používal jak střídavý tak i stejnosměrný elektrický proud. Další nový způsob svařování byla metoda SIGMA (Shielded Inert Gas Metal Arc welding obloukové svařování v ochranné atmosféře kovovou elektrodou). Rozvoj zaznamenaly také i plyny, které se začaly používat při svařování. Mezi nejpoužívanější začaly patřit oxid uhličitý (CO 2 ), argon (Ar), směsi těchto plynů, nebo příměsy kyslíku (O 2 ). Velkým krokem zaznamenal objev impulsního svařování, díky kterému se snížil průvar materiálu. Tato metoda umožňuje svářet různorodé materiály, materiály o velmi malé tloušťce. Od samotného objevení svařování v ochranné atmosféře plynů uběhlo mnoho let. Za tu dobu tato metoda zaznamenala veliký vývoj kupředu ve všech směrech. V dnešní době máme plně automatizované svářecí linky, zařízení pro odsávání plynů vnikajících při svařování. - 10 -
Velký vývoj zaznamenala defektoskopie (kontrola svarů). Samotné svařování v ochranné atmosféře patří mezi nejrozšířenější svařování. 2. Svařování MIG/MAG [1]; [5]; [7]; [15] MIG Metal Inert Gas obloukové svařování tavící se elektrodou v inertním (netečném) plynu. Jedná se o svařování, ve kterém oblouk vzniká mezi materiálem (svařencem) a elektrodou (svařovacím drátem). Inertní plyn nám chrání oblouk a svarovou lázeň. Samotný plyn se nám nezúčastňuje svařovacího procesu. MAG Metal Activ Gas obloukové svařování tavící se elektrodou v aktivním plynu. I při tomto svařování vzniká oblouk mezi svařencem a elektrodou. Oblouk a svarovou lázeň nám chrání aktivní plyn, který se podílí na přenosu v elektrickém oblouku. Obr. 2.1 Obloukové svařování tavící se elektrodou v ochranné atmosféře [15] 2.1. Historie svařování metodou MIG/MAG [3]; [4]; [5] Teoretické základy vývoje obloukového svařování v inertním a aktivním plynu jsou datovány do čtyřicátých a padesátých let minulého století. V oblasti svaru bylo hlavním účelem vytvořit ochranou atmosféru, která by bránila degradaci materiálu ve svaru a jeho blízkém okolí. K prvním pokusům došlo v roce 1940. Elektrický oblouk hořel mezi netavícími se wolframovými elektrodami a svařencem v prostředí netečného plynu (argon). Tuto metodu známe pod zkratkou WIG (Wolfram Inert Gas). V padesátých letech minulého století byla vyvinuta další metoda obloukového svařování, při které se taví elektroda. Jako ochrana tavné lázně je zde použit inertní plyn. Plyn se - 11 -
nepodílí na přenosu oblouku, slouží jen jako ochranná atmosféra. Tuto metodu známe pod zkratkou MIG. O něco později se začíná objevovat nová metoda obloukového svařování v ochranné atmosféře, při které se taví elektroda. Jako ochrana tavné lázně zde slouží aktivní plyn, který také podporuje přenos elektrického oblouku. Tuto metodu známe pod zkratkou MAG. Metody MIG a MAG se vyvíjely několik desítek let, za tu dobu došlo k mnoha zlepšení. V dnešní době těmito metodami svařujeme nízkolegované oceli, vysokolegované oceli a barevné kovy. 2.2. Přídavné materiály 2.2.1. Ochranné plyny Ochranné plyny patří do jedné ze skupin přídavných materiálů. Největší úkol ochranných plynů je chránit svá před okolní atmosférou, před její nepříznivými vlivy a to hlavně před vlivem kyslíku a dusíku. Tyto plyny nám svým chemickým složením ovlivňují řadu velice důležitých faktorů. rychlost svařování tepelný výkon stabilitu elektrického oblouku přenos kovu v oblouku množství roztřiku produktivitu svařování U metody MIG se jako ochranné plyny většinou používají čistý argon, helium s příměsí kyslíku nebo jejich směsi (argon + helium, atd.). Čistotu plynů a jejich směsí stanovuje norma ČSN EN 439. U metody MAG se používá nejčastěji plyn oxid uhličitý (CO 2 ), patří mezi nejlevnější. Požívají se různé směsi plynů, u nichž tvoří základ již zmiňovaný oxid uhličitý. Argon (Ar) Argon patří do skupiny jednoatomových plynů. Tento plyn je bez vůně chuti a barvy. Oblouk má v argonu vysokou stabilitu a dobře se zapaluje, teplota oblouku je 4000 5000 C. Argon se označuje na ocelových láhvích zelenou barvou a písmenem N podle normy ČSN EN 1089-3. Helium (He) Helium taktéž patří do skupiny jednoatomových plynů. Plyn je bez barvy, chutě a vůně. Nemá tak dobré vlastnosti při zapalování jako argon, z toho důvodu se přidává alespoň 10% argonu. - 12 -
Oxid uhličitý (CO 2 ) Tento plyn je nehořlaví, bezbarví a není jedovatý. Má vysokou hustotu, vysokou tepelnou vodivost. Díky těmto vlastnostem se velká část tepla přenáší do svaru, dobrá ochrana svaru, hluboký průvar, dobré nastavení svarových hran. Čistota plynu je přes 99%, zbytek tvoří vlhkost a nečistoty. Kyslík (O 2 ) Je to dvouatomový plyn, podporuje oxidační hoření. Zvyšuje tekutost svarové lázně a povrchové napětí roztaveného kovu. Používá se hlavně ve směsích argonu, helia a oxidu uhličitého. Ar + CO 2 (15 až 20%) Ze směsí plynů patří mezi nejpoužívanější pro svařování nízkolegovaných ocelí svařovací metodou MAG. Má dobré svařovací vlastnosti (hluboký průvar, stabilita obloku). Použití při svařování se zkratovým i sprchovým přenosem kovu v oblouku. Ar + CO 2 (5 až 13%) + O 2 (5%) Tento plyn nám zajišťuje čistý, hladký povrch svarů. Tuto směs plynů nejčastěji používáme u automatizovaných linek. Kyslík zajišťuje dobrou tekutost tavné lázně a dobré odplynování. Tab. 2.1 Použití ochranných plynů pro svařování nelegovaných a nízkolegovaných ocelí metodou MAG [15] Druh plynu Složení Použití Svařování tenčích plechů CO 2 CO 2 99% při zkratovém přenosu kovu v oblouku, hluboký závar, značný roztřik Dvojsložkové směsi Ar+CO2 Ar + 8 až 20% CO2 Stabilní elektrický oblouk, malý rozstřik, dobrý závar, Trojsložkové směsi Ar+C02+O2 Čtyřsložkové směsi Ar+He+CO2+O2 Ar + 5 až 13% CO2 + 1 až 5%O2 různé universální použití Hladké a čisté svary, vhodné pro mechanizované svařování,pozvolný přechod svaru do základního materiálu Stavba lodí, výroba kolejových vozidel, těžké strojírenství, maximální svařovací nepatrný rozstřik rychlosti, - 13 -
Tab. 2.2 Porovnání vlastností ochranných plynů [15] Vlastnosti Ar + CO2 Ar + O2 CO2 dobrý, může být dobrý, spolehlivější s kritický z důvodu rostoucím % CO2 předbíhání svarové lázně Závar - svar *poloha vodorovná shora *ostatní polohy Tepelné zatížení hořáků Stupeň oxidace Porozita Tvorba rozstřiku Vnášení tepla do svaru Typ přenosu kovu obloukem 2.2.2. Elektrody vysoké, snižuje se s rostoucím % CO2 vysoké, výkon může být omezen, jestliže je hořák příliš horký dobrý, spolehlivý nízké, díky dobré tepelné vodivosti nízký, stoupá s rostoucím % CO2 výrazně závisí na obsahu O2 (1 až 8%) vysoký snižuje se s rostoucím obsahem vysoká citlivost spolehlivá CO2 stoupá s rostoucím téměř bez rozstřiku vysoká, stoupá s % CO2 rostoucím výkonem stoupá s rostoucím % CO2, nižší nejnižší, vysoká vysoké, malá rychlost rychlost ochlazování rychlost ochlazování způsobuje větší ochlazování způsobuje menší nebezpečí vzniku způsobuje menší nebezpečí vzniku trhlin nebezpečí vzniku trhlin trhlin všechny typy všechny typy zkratový, kapkový Elektroda pro svařovací metodu MIG/MAG je myšlen nekonečně dlouhý drát, který se přivádí pomocí kladkového mechanismu do hořáku společně s plynem. Podávací mechanismus může být dvojího typu. Mechanismus je mimo svařovací hubici, nebo je přímo součástí svařovací hubice. Elektrody mají větší obsah manganu a křemíku, jsou to tak zvané dezoxidující prvky. Může se stát, že při svařování v ochranné atmosféře s plyny, které obsahují kyslík, může dojít k oduhličení svarového kovu a následně k oxidaci železa. Elektrody jsou vyráběny buď jako plný drát, nebo jako trubičkový drát (plněný drát). Tyto dráty jsou namotány na cívky a ty jsou pak vkládány do svařovacích agregátů. Plněné dráty jsou bezešvé nebo tvarově uzavřené plněné dráty. Náplň drátu obsahuje různé legující prvky, které dodávají svaru lepší mechanické a chemické vlastnosti. Funkce přídavných materiálů doplňují objem svarové lázně nahrazují prvky, které se při svařování vypálily dodávají do svaru vhodné legovací a dezoxidační přísady - 14 -
Tab. 2.3 Označení chemického složení drátů podle katalogu firmy ESAB Vamberk [15] Zna čka G0 G2S i G3S i1 G4S i1 G3S i2 G2T i 1), 2), 3) Chemické složení v % (hmot.) C Si Mn P S Ni Mo Al Ti+Z r Jiné sjednané chemické složení neuvedené v této normě 0,06až 0,5až 0,9až 0,025 0,025 0,15 0,15 0,02 0,15 0,14 0,8 1,3 0,06až 0,7až 1,3až 0,025 0,025 0,15 0,15 0,02 0,15 0,14 1,0 1,6 0,06až 0,8až 1,6až 0,025 0,025 0,15 0,15 0,02 0,15 0,14 1,2 1,9 0,06až 1,0až 1,3až 0,025 0,025 0,15 0,15 0,02 0,15 0,14 0,04až 0,14 1,3 0,4až 0,8 1,6 0,9až 1,4 0,025 0,025 0,15 0,15 0,05až 0,20 0,05a ž 0,25 G3 0,06až 0,5až 1,0až 0,020 0,020 0,8až 0,15 0,02 0,15 Ni1 0,14 0,9 1,6 1,5 G2 0,06až 0,4až 0,8až 0,020 0,020 2,1až 0,15 0,02 0,15 Ni2 0,14 0,8 1,4 2,7 G2 0,08až 0,3až 0,9až 0,020 0,020 0,15 0,4až 0,02 0,15 Mo 0,12 0,7 1,3 0,6 G4 0,06až 0,5až 1,7až 0,025 0,025 0,15 0,4až 0,02 0,15 Mo 0,14 0,8 2,1 0,6 G2 Al 0,08až 0,14 0,3až 0,5 0,9až 1,3 0,025 0,25 0,15 0,15 0,35až 0,75 0,15 1) Cr max. 0,15, Cu max. 0,35 a V max. 0,03, pokud není stanoveno jinak. Obsah mědi v oceli včetně pomědění drátu nesmí překročit 0,35%. 2) Jednotlivé hodnoty v tabulce jsou hodnoty maximální 3) Výsledky se zaokrouhlují na takový počet platných míst jaký je uveden v ISO 31-0, příloha B, pravidlo A Dělení plněných elektrod Bazická náplň bazická struska se hůře odstraňuje, ve strusce je obsažen vápenec, fluoridy hliníku a alkalických zemin. Bazické náplně příznivě ovlivňují svarový kov (dobrá svarová houževnatost, odolnost proti trhlinám) Rutilová náplň rutilová struska se lehce odstraňuje, ve strusce je obsažen oxid titaničitý. Struska velmi rychle tuhne, proto tuto náplň používáme při svařování polohových svarů. Kovová náplň svár je bez strusky, kovový prášek v elektrodě obsahuje legující prvky (legury). Používáme spíše u automatických linek. - 15 -
Obr. 2.2 Typy plněných elektrod [15] 2.3. Zařízení pro svařování MIG/MAG [8]; [13]; [14]; [15] 2.3.1. Zdroj proudu Pro svařování v ochranné atmosféře metodou MIG/MAG se v dnešní době využívají zdroje se stejnosměrným výstupem proudu. Na elektrodu se připojuje kladný pól. Tak zvanné inventory slouží pro usměrnění proudu, které mají různé výkonostní vlastnosti. Tyto zdroje pro MIG/MAG mají plochou statickou charakteristiku a dokážou samoregulačně udržovat konstantní délku. U moderních svařovacích zdrojů patří do základní výbavy horký start, ten slouží k lepšímu natavení začátku svaru. Databáze svařovacích programů, synergické řízení. Při tomto řízení se nastavením jednoho parametru automaticky nastaví ostatní parametry. Další funkce se kterými se můžeme setkat jsou: řízený zapalovací cyklus MIG/MAG funkce udržování konstantní délky oblouku ukončení svařovacího cyklu proudovým impulsem Rozdělení zdrojů kompaktní zdroje s integrovaným podavačem drátu výkonné zdroje s chladící jednotkou a odděleným podavačem stavebnicové uspořádání s odděleným podavačem drátu zdroje s podavačem přímo v hořáku - 16 -
Obr. 2.3 Svařovací zdroj od firmy ESAB Vamberk [14] (PHOENIX 301 PROGRESS PULS fa KGE) 2.3.2. Podávací zařízení pro elektrody Podávací mechanismus elektrody může být dvojího typu, jak již bylo zmíněno. Podávací jednotka může být umístěna uvnitř zdroje svařovacího proudu nebo na zdroji svařovacího proudu. Dodávání elektrody ve formě drátu musí být konstantní, drát nesmí vykazovat známky porušení. Pokud tomu tak není, může to mít za následek špatnou tvorbu svaru. Podavač se ve většině případů skládá z kladek, čistič elektrody, podavač elektrody a z dalšího příslušenství, které zajišťuje správný chod podavače. Obr. 2.4 Ukázky způsobu podávání elektrody [12] - 17 -
2.3.3. Hořáky Ze svařovacích hořáků nám proudí přídavný materiál (elektroda, ochranný plyn). Samotný hořák je chlazen ochranným plynem, při velkých svařovacích proudech, může být hořák chlazen sekundárním chlazením. V uzavřeném okruhu nám proudí chladící kapalina, která odvádí přebytečné teplo. Hořáky mohou být různých typů konstrukcí, záleží na samotném výrobci svařovacích hořáků. Hořák je konstruován tak, aby se s ním při svařování co nejlépe manipulovalo. Obr. 2.5 Svařovací hořáky [13] (první typ hořáku je vodou chlazený, druhý typ hořáku je plynem chlazený) 2.4. Parametry pro svařování MIG/MAG [2]; [4]; [7] 2.4.1. Svařovací proud Svařovací proud patří mezi nejdůležitější parametry při svařování. Tento parametr nám ovlivňuje tvar a průřez svarové housenky. Čím větší je svařovací proud, tím je větší tekutost svaru, proudová hustota, atd. Proud patří mezi parametry, který se při svařování nejlépe - 18 -
reguluje. Při zbytečně velkém proudu máme velký roztřik materiálu a může dojít k protavení základního materiálu. Velikost proudu se odvíjí od průměru elektrody, velikost elektrody se zase odvíjí od tloušťky svařovaného materiálu. S.. šířka housenky [mm] P.. návar [mm] Z. závar [mm] 2.4.2. Svařovací napětí Obr. 2.6 Závislost tvaru svaru na velikosti proudu [15] Napětí se mění podle délky oblouku mezi elektrodou a základním materiálem. Mezi povrchem svařované lázně a koncem elektrody je potencionální rozdíl a ten představuje napětí na oblouku. Napětí má vliv na šířku svarové housenky, na hloubku závaru má napětí pouze nepatrný vliv. Obecná platnost nastavení hodnoty napětí: U = 15 + 0,035 I s (2.1) U.. pracovní napětí [V] I s.. svařovací proud [A] Napětí má taktéž vliv na účinky a rozměry oblouku, má vliv na přenos kovu v oblouku. 14-21V zkratový přenos v oxidu uhličitém a směsných plynech nad 21V částečně nezkratový přenos 22-27V bezkratový přenos nad 27V sprchový přenos Nízké napětí mívá za následek nestabilní proces, úzké housenky, špatné natavení svarových hran, při vícevrstvém svařování dochází k tzv. studeným spojům (svarům). Vysoké napětí způsobuje větší délku oblouku, pórovitost svarů, větší roztřik. Může dojít k předbíhání svarové lázně před oblouk, to má za následek obtížné svařování v nestandardních polohách. - 19 -
S.. šířka housenky [mm] P.. návar [mm] Z. závar [mm] Obr. 2.7 Závislost tvaru svaru na velikosti napětí [15] 3. Nové aspekty přenosu kovu v oblouku [6]; [8]; [10]; [11]; [12]; [15] Základním charakterem svařování v ochranné atmosféře je přenos kovu v oblouku. Přenos kovu v oblouku závisí na svařovacím proudu a napětí. Výrazně však ovlivňuje přenos kovu v oblouku ochranný plyn, druh elektrody, svařovací technika. Rotující oblouk Svař ovací napě tí [ V ] Impulsní oblouk Přechodový oblouk Sprchový oblouk Zrychlený Zrychlený zkratový oblouk Zkratový oblouk Svařovací proud [ A ] Obr. 3.1 Oblasti přenosu kovu v oblouku [15] - 20 -
3.1. Zkratový přenos kovu Při tomto způsobu svařování se přerušuje oblouk pomocí zkratu, při kterém se z elektrody uvolňují kapky kovu, které proudí do svarové lázně. Při nízkém proudu a vysokém napětí je frekvence kapek malá a roztřik kovu vysoký. Se snižujícím se napětí roste počet zkratů. Pro svařovací drát o průměru 1,2mm je frekvence cca 5 kapek za 1s při napětí 27V. Tento typ svařování pracuje v rozsahu 60-180A, 14-22V, výkon navaření se pohybuje kolem 1-3 kg.hod -1. Krátkým obloukem docílíme, že zkrat nastane dřív mezi elektrodou a tavnou lázní a tím se zamezí růstu kapky kovu. Kapka se pak rovnoměrně rozptýlí ve svaru vlivem povrchového napětí taveniny. Obr. 3.1 Průběh napětí a proudu při zkratovém přenosu [15] Abychom dosáhli zkratového svařování, zdroj musí mít dynamické vlastnosti. Ke zkratovému přenosu můžeme použít všech druhů plynu. Zkratový přenos kovu v oblouku nejčastěji využijeme při svařování tenkých plechů, kořenových vrstev tupých svarů, překlenutí vrstev širších mezer, pro svařování vysokolegovaných ocelí. Tab. 3.1 Proudové rozsahy pro svařování zkratovým procesem [15] proudové rozsahy průměr drátu [mm] nízký proud [A] vysoký proud [A] průměrný proud [A] 0,8 50 130 90 1,0 70 160 120 1,2 90 200 150-21 -
3.2. Krátký oblouk se zrychleným zkratovým přenosem kovu Tato metoda přenosu kovu v oblouku pracuje na stejném principu jako ta předchozí. Největší rozdíl je zde ten, že rozpětí proudu je mnohem větší, nad 200A. Rychlost podávání se zde pohybuje jako u sprchového přenosu. Některé firmy tuto metodu nazývají RAPID ARC (rychlý oblouk). Je zde také větší výkon navaření 3-10 kg.hod -1, tahle hodnota odpovídá rozsahu sprchového přenosu. Drát je podáván vysokou rychlostí do svarové lázně pod velkým úhlem. Vysoká frekvence zkratů má za následek, že se nestihnou tvořit velké kapky kovu. Výlet drátu je zde 25-30mm, proto musíme zvýšit průtok plynu 20-30 l.min -1. Používáme směs plynu Ar + 8% CO 2. Tímto typem přenosu kovu v oblouku můžeme svařovat velkou rychlostí a vysokým výkonem navaření plechy od 1mm tloušťky, polohové svary i kořeny svaru. 3.3. Přechodový dlouhý oblouk s nepravidelnými zkraty Tento přenos kovu v oblouku je málo používán z důvodu velkého roztřiku materiálu a hrubé svarové housenky. Využití této metody nejdeme při svařování středních tlouštěk plechů. Při tomto svařování pracujeme s proudem o rozpětí 190 300A a napětím 22 28V. Vlivem vysokého proudu se konec elektrody nataví do velké kapky. Kapka je po sléze do svarové lázně vymrštěna ve frekvenci 5 40 kapek za sekundu, za to o vysoké rychlosti. 3.4. Dlouhý oblouk se sprchovým bezzkratovým přenosem kovu Sprchový přenos kovu v oblouku se vyznačuje použitím plynu, který obsahuje velké množství argonu (alespoň 80%). Nejčastěji používáme směsi plynů Ar + CO 2, Ar + O 2 nebo čistý argon. Čistý oxid uhličitý nepoužíváme k vzhledem vysokým hodnotám povrchového napětí. Díky argonu dochází ke snadné ionizaci plynu, takže konec elektrody obklopuje plazma, ta má za následek rychlejší ohřev elektrody. Výlet drátu představuje asi 15 x průměr elektrody. Díky magnetickému poli se tvoří menší kapky kovu, které se dostávají do svarové lázně o frekvenci 150 350Hz. U této metody dosahujeme velké hloubky závaru, velkého výkonu navaření 3 12kg.hod -1. Využití pro střední a velké tloušťky materiálu. Sprchový přenos pracuje v rozmezí 28 40V, 200 500A. Obr. 3.2 Sprchový oblouk [12] - 22 -
Tab. 3.2 Nastavení parametrů pro sprchový proces v závislosti na průměru drátu [15] průměr drátu [mm] rychlost posuvu drátu [m.min -1 ] svařovací proud [A] 0,8 11 180 26 1,0 10 220 28 1,2 8 280 30 svařovací napětí [V] 3.5. Impulsní bezzkratový oblouk Parametry pro svařování impulsním proudem spadají do oblasti zkratového i sprchového přenosu kovu v oblouku, základní proud (20 50A). Při tomto svařování se intenzita proudu mění pravidelně s časem mezi dvěma proudovými hladinami a to základním proudem I z a impulsním proudem I p. Podle charakteru zdroje může být tvar průběhu impulsů proudu různý: a) pravoúhelníkový průběh proudu b) sinusový průběh proudu c) lichoběžníkový průběh proudu d) trojúhelníkový průběh proudu Obr. 3.3 Průběh impulsního proudu [10] Výsledkem použití svařování impulsního proudu je dosažení velice přesné regulace svařovacího režimu, a tím dávkování vneseného tepla do svaru a tvarování svarové lázně. - 23 -
Výhody impulsního svařování: díky impulsnímu proudu je menší tepelně ovlivněná oblast možno svařovat tenké plechy výkon navaření 2 5Kg.hod -1 pravidelná kresba svaru vhodný pro svařování vysokolegovaných ocelí, hliníku a jeho slitin U svařování hliníku a jeho slitin se používá čistý argon, pro nerezové ocele Ar + O 2 (2%) a pro uhlíkové ocele Ar + CO 2 (8%). Obr. 3.4 Síly působící na kapku [11] Na konci elektrody působí několik sil na kapku materiálu. Tyto síly mají za následek, že se kapka dostane do svarové lázně. Největší podíl na tomto procesu má elektromagnetická síla. Tato a další síly jsou znázorněné na obrázku 3.4. Obr. 3.5 Impulsní oblouk [12] - 24 -
3.6. Moderovaný bezzkratový přenos kovu V některé literatuře se také můžeme dočíst, že se jedná o zrychlený sprchový přenos kovu v oblouku. Společnost AGA tuto metodu označuje jako RAPID MELT (rychle roztavit). Tato metoda pracuje při parametrech 450 750A, 40 50V, rychlost posuvu drátu 20 45m.min -1, výkon navaření až 25kg.hod -1, průtok plynu 18 25l.min -1. Doporučený plyn je Ar + CO 2 (8%). Můžeme svařovat materiály o velké tloušťce velkou rychlostí, to nám umožňují vysoké parametry. Kapky jsou o velikosti asi průměru elektrody (drátu). Tyto kapky jsou vysokou rychlostí odtavovány do svarové lázně. Závar je hluboký a úzký. 3.7. Dlouhý oblouk s rotujícím přenosem kovu Tato metoda svařování má skoro stejné parametry jako předchozí, až na napětí, které může být i 65V, výkon navaření až 27kg.hod -1. Vlivem velkého proudu a velké volné délce elektrody, je elektroda předehřívána odporovým teplem téměř na teplotu tavení. Díky silovému magnetickému poli je konec elektrody v plastickém stavu roztáčena, odtavující se kapky tvoří kuželovou plochu. U tohoto přenosu kovu v obloku získáváme dobrý závar do boku, vytváří se hluboký a široký svar s miskovitým profilem. Tato metoda je vhodná pouze pro strojní svařování. Někdy se můžeme setkat i s označením TIME (Transfered Ionized Molten Energy) pro tuto metodu. Směs plynu, kterou používáme u tohoto svařování tvoří Ar (65%) + He (26,5%) + CO 2 (8%) + O 2 (0,5%). Výhody přenosu kovu v rotujícím obloku: stabilizace svařovacího oblouku Velká rychlost svařování Téměř žádný rozstřik Možnost svařovat ve všech polohách Dobré mechanické vlastnosti (zamezení oxidace při svařování) Obr. 3.6 Rotující oblouk [12] - 25 -
4. Ekonomické hledisko [15] V tabulce 4.1 jsou seskupeny hodnoty parametrů, které patří mezi jedny z nejdůležitějších pro přenos kovu v oblouku. S těmito hodnotami budeme nadále pracovat, budeme z nich sestavovat grafy v různých závislostech, pro lepší znázornění ekonomického hlediska. Tab. 4.1 Porovnání parametrů Zkratový přenos kovu Krátký oblouk se zrychleným zkratovým přenosem kovu Přechodový dlouhý oblouk s nepravidelnými zkraty Dlouhý oblouk se sprchovým bezzkratovým přenosem kovu Impulsní bezzkratový oblouk Moderovaný bezzkratový přenos kovu Dlouhý oblouk s rotujícím přenosem kovu Proud [A] Napětí [V] Výkon navaření [kg.hod -1 ] 60-180 14 18 1 3 nad 200 14 25 3 10 190 300 22 28 3 10 200 500 28 40 3 12 50 500 20 40 2-5 450 750 40 50 až 25 450 750 až 65 až 27 Z grafu 4.1 je vidět, že největšího navařovacího výkonu dosahujeme u metod moderovaný bezzkratový přenos kovu a dlouhý oblouk s rotujícím přenosem kovu, zatímco nejmeší výkon navaření má metoda impulsní bezzkratový oblouk. Z následujících grafů 4.2 a 4.3 je patrno, že navařovací výkon se zvětžuje s růstem proudu a napětí. V grafech 4.2 a 4.3 jsou vyznačeny čísly 1-7 metody přenosu kovu v oblouku. 1.. Zkratový přenos kovu 2.. Krátký oblouk se zrychleným zkratovým přenosem kovu 3.. Přechodový dlouhý oblouk s nepravidelnými zkraty 4.. Dlouhý oblouk se sprchovým bezzkratovým přenosem kovu 5.. Impulsní bezzkratový oblouk 6.. Moderovaný bezzkratový přenos kovu - 26 -
7.. Dlouhý oblouk s rotujícím přenosem kovu Graf 4.1 Výkon navařování Výkon navařování kg/hod 30 25 20 15 10 5 0 S růstem elektrického proudu a napětí se nám zvětšují náklady na svařování (elektrická energie), ale je nutno dodat, že se nám take zvětšuje rychlost svařování. To nám zlevňuje celý proces svařování. Graf 4.2 Maximální proud v závislosti na výkonu navaření Maximální výkon navaření [kg/hod] 30 25 20 15 10 5 0 Proud v závislosti na výkonu navařování 7 6 2 3 4 5 1 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Maximální proud [A] - 27 -
Graf 4.3 Maximální napětí v závislosti na výkonu navaření Maximální výkon navaření [kg/hod] 30 25 20 15 10 5 0 Napětí v závislosti na výkonu navařování 7 6 4 2 3 5 1 0 10 20 30 40 50 60 70 Maximální napětí [A] Jen těžko se dá určit, který způsob přenosu kovu v oblouku je nejekonomičtější, každý způsob přenosu kovu má svá určitá specifika a je vhodný pro jiný typ a rozsah materialu. Danou metodu musíme určit na základě více parametrů, aby se dosáhlo co nejlepšího svaru, za co nejefektivnějších ekonomických podmínek. - 28 -
5. Závěr Svařování v ochranné atmosféře plynů MIG/MAG od svého objevení až po současnost zaznamenala velký rozvoj od ochranných pomůcek až po svařovací zdroje. Samotná technologie zaznamenala velký posun také v přenosu kovu v oblouku, za což vděčíme moderním zdrojům. Na závěr bakalářské práce bylo provedeno zhodnocení metod přenosu kovu v oblouku. Zkratový přenos kovu v oblouku pracuje v rozsahu 60 180A, 14 22V a jeho výkon navaření činí 1 3 kg.hod -1. Využívá se pro svařování tenkých plechů, kořenové vrstvy tupých svarů, překlenutí vrstev širších mezer, pro vysokolegované ocele. Zatím co krátký oblouk se zrychleným zkratovým přenosem kovu v oblouku pracuje téměř ve stejném rozsahu napětí, jako zkratový přenos kovu v oblouku, proud je zde nad 200A, větší rychlost podávání elektrody a průtok plynu 20-30l.min -1, avšak při této metodě dosahujeme většího výkonu navaření 3 10kg.hod -1. Touto metodou můžeme svařovat vysokou rychlostí, plechy od 1mm tloušťky, polohové svary i kořeny svarů. U přechodového dlouhého oblouku s nepravidelnými zkraty pracujeme s napětím v rozsahu 22 28V, proudem 190 300A, výkon navaření se zde pohybuje kolem 3 10kg.hod -1. Tato metoda není mnoho využívána z důvodu velkého roztřiku a hrubé svarové housenky. Tento způsob přenosu kovu v oblouku je vhodný pro střední tloušťky plechů. Dlouhý oblouk se sprchovým bezzkratovým přenosem kovu v oblouku pracuje s většími hodnotami napětí a proudu, než jek tomu bylo u předchozích způsobů přenosu kovu v oblouku. Napětí 28-40V, proud 200 500A, výkon navaření 3 12kg.hod -1. U této metody používáme směsi plynů, které obsahují minimálně 80% argonu, nebo čistý argon, nepoužíváme oxid uhličitý. Dosahujeme zde velké hloubky závaru, využití pro střední a velké tloušťky materiálu. Impulsní bezzkratový oblouk se liší od ostatních metod přenosu kovu materiálu v oblouku, že zde pracujeme se základním proudem (20 50A) a impulsním proudem (50 500A). Napětí je zde v rozsahu 20 40V. Výhody oproti ostatním metodám jsou malá tepelně ovlivněná oblast, možnost svařovat tenké plechy, výkon navaření 2 5kg.hod -1, pravidelná kresba svarové housenky, svařování vysokolegovaných ocelí, hliníku a jeho slitin. Moderovaný bezzkratový přenos kovu v oblouku patří mezi vysoko výkonné metody navařování (až 25kg.hod -1 ), to s sebou nese vysoké parametry proudu 450 750A, napětí 40 50V, průtok plynu 18 25l.min -1. Tyto vysoké parametry nám umožňují svařovat materiály o velké tloušťce velkou rychlostí. Závar je hluboký a úzký. Dlouhý oblouk s rotujícím přenosem kovu v oblouku se také řadí mezi vysokovýkonné metody navařování (až 27kg.hod -1 ). Hodnoty proudu se pohybují taktéž mezi 450 750A, napětí až 65V. Výhody této metody jsou stabilizace svařovacího oblouku, velká rychlost svařování, téměř žádný roztřik, možno svařovat ve všech polohách, dobré mechanické vlastnosti. Tuto metodu převážně využíváme pro strojní svařování. Svařování v ochranné atmosféře používáme od dvacátých let minulého století. Od té doby až po současnost, svařování v ochranné atmosféře plynů zaznamenalo velký pokrok v mnoha - 29 -
odvětví. I když svařování má i spoustu nevýhod, jako jsou vysoké nároky na obsluhu, energetická náročnost a jiné, i tak bude svařování metodou MIG/MAG patřit mezi nejdůležitější metody svařování. - 30 -
SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [1] DVOŘÁK, M. a kol. Technologie II, 2vyd. CERM Brno, 7/2004, 237s. ISBN ISBN 80-214-2683-7. [2] BLAŠČÍK, F. a kol. Technológia tvárnenia, zlievárenstva a zvárania, 1vyd. ALFA Bratislava 1988, 830s. ISBN 063-563-87 [3] KOLEKTIV AUTORŮ. Materiály a jejich svařitelnost, 1vyd. Zeross, Ostrava 2001, 395s. ISBN 80-85771-85-3 [4] KOLEKTIV AUTORŮ. Technologie svařování a zařízení, 1vyd. Zeross, Ostrava 2001, 395s. ISBN 80-85771-81-0 [5] KOLEKTIV AUTORŮ. Navrhování a posuzování svařovaných konstrukcí a tlakových zařízení, 1vyd. Zeross, Ostrava 1999, 249s. ISBN 80-85771-70-5 [6] KOLEKTIV AUTORŮ. Výroba a aplikované inženýrství ve svařování, 1vyd. Zeross, Ostrava 2000, 214s. ISBN 80-85771-72-1 [7] MALINA, Z. Základní kurz svařování MIG/MAG. 5vyd. Ostrava : Zeross, 2000. 212 s. [8] SAMEK, E; STRINKA, R. Zváranie v ochranej atmosfére taviacou sa elektrodou. 1vyd. Bratislava : ALFA, 1982 [9] ČSN EN ISO 4063.: Svařování a příbuzné procesy přehled metod a jejich číslování, ČESKÝ NORMALIZAČNÍ INSTITUT, Praha 2001. [10] Www.vsb.cz [online]. 2009 [cit. 2010-05-25]. Vsb.cz. Dostupné z WWW: <http://fs1.vsb.cz/~hla80/2009svarovani/09-141.pdf>. [11] Www.alfain.com [online]. 2007 [cit. 2010-05-25]. Alfain.com. Dostupné z WWW: <http://www.alfain.eu/dokumenty/009005/navod_k_obsluze ata_350_400_500_puls _2.pdf> [12] ROUBÍČEK, Martin; PILOUS, Václav. Www.airliquide.cz [online]. 2008 [cit. 2010-05- 25].. Airliquide.cz. Dostupné z WWW: <http://www.airliquide.cz/file/otherelement/pj/ mag_svarovani49124.pdf>. [13] Www.mmwelding.cz [online]. 2010 [cit. 2010-05-25]. Mmwelding.cz. Dostupné z WWW:<http://www.mmwelding.cz/?page=prodej-prislusenstvi =svarovaci-horakymig- mag>. [14] Www.schinkmann.cz [online]. 2010 [cit. 2010-05-25]. Schinkmann.cz. Dostupné z WWW: <http://www.schinkmann.cz/phoenix-301-progress-puls-fa-kge-svarovaci-zdroj?popup=0>. - 31 -
[15] KUBÍČEK, Jaroslav. Www.vutbr.cz [online]. Brno: 2006 [cit. 2010-05-25]. Http://ust. fme.vutbr.cz. Dostupné z WWW: <http://ust.fme.vutbr.cz/svarovani/opory.htm>. - 32 -
SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK Označení Legenda Jednotka U Elektrické napětí [V] I Elektrický proud [A] P Převýšení [mm] Z Průvar [mm] S Šířka housenky [mm] T Čas [s] t z Základní čas [s] t p Impulsní čas [s] I z Základní proud [A] I p Impulsní proud [A] I s Svařovací proud [A] Q Výkon navaření [kg.hod -1 ] s Průtok plynu [l.min -1 ] - 33 -